Компрессоры и детандеры (турбины) являются важнейшими частями энергетических установок, и от степени их совершенства зависит в целом и КПД установки.
Назначение компрессора состоит в сжатии газа и непрерывной подаче его потребителю. Сжатый газ находит широкое применение в технике, в частности в авиации. Компрессор является одним из основных агрегатов газотурбинных, поршневых и комбинированных авиационных двигателей. В поршневых двигателях сжатие воздуха происходит в цилиндрах. Если двигатель комбинированный, то сжатие воздуха или топливовоздушной смеси (наддув двигателя) предварительно осуществляется в компрессоре.
По способу сжатия воздуха или газа компрессоры можно разделить на две группы:
· к первой относятся объемные компрессоры (поршневые, шестеренчатые, ротационные). Давление в них повышается при непосредственном уменьшении объема газа, поступившего в рабочее пространство компрессора;
· ко второй группе относятся центробежные, осевые и диагональные компрессоры, последние из которых по своим характеристикам является промежуточными между центробежными и осевыми компрессорами.
Во всех этих компрессорах сжатие осуществляется как бы в два этапа. На первом этапе газ получает некоторую скорость, приобретает кинетическую энергию. На втором происходит преобразование кинетической энергии в потенциальную энергию давления.
Несмотря на конструктивные различия компрессоров термодинамические процессы сжатия, происходящие в них, одинаковы. Поэтому термодинамические основы процессов сжатия газа или воздуха рассмотрим применительно к поршневому компрессору как наиболее простому.
Одноцилиндровый поршневой компрессор (рис. 9.6) состоит из цилиндра 1 с поршнем 2, который движется возвратно-поступательно, и двух клапанов: всасывающего 3 и нагнетающего 4.
Рис. 9.6. Одноцилиндровый поршневой компрессор
При ходе поршня вправо открывается всасывающий клапан 3, и в цилиндр при неизменном давлении поступает газ. При обратном ходе поршня и закрытых клапанах этот газ сжимается. После того как в результате сжатия будет достигнуто заданное давление, открывается нагнетательный клапан 4, и при движении поршня справа налево происходит выталкивание сжатого газа (при постоянном давлении) к потребителю.
В поршневом компрессоре не весь объем, соответствующий одному ходу поршня, может быть использован для всасывания новой порции газа за счет так называемого вредного пространства, которое остается между поршнем и головкой цилиндра, когда поршень находится в крайнем (ближнем к головке) положении. В
идеальном поршневом компрессоре вредным пространством и, как следствие, расширением газа перед процессом всасывания, пренебрегают.
Рабочая диаграмма компрессора в координатах р – V имеет вид (рис. 9.7, а), где А–В – линия всасывания газа в цилиндр, В–С – линия сжатия, C–D – линия выталкивания.
Так как процессы А–В и C–D не являются термодинамическими и идут с неизменными параметрами, то совокупность процессов, изображенных на рис. 9.7, а, не является замкнутым термодинамическим процессом (циклом).
Линия сжатия в зависимости от количества теплоты, отбираемого от газа при его сжатии (интенсивности охлаждения компрессора), может быть изотермой В–С’, адиабатой В–С» и политропой В–С. Указанные термодинамические процессы изображены TS–диаграмме (рис. 9.7, б). Работа, затраченная на получение 1 кг сжатого газа в одноступенчатом компрессоре, графически изображается пл. ABCD (рис. 9.7, а) и является алгебраической суммой площадей:
пл. ABCD = пл. CDOE + пл. BCEF – пл. ABFO,
где пл. CDOE = – работа выталкивания;
пл. ABFO = – работа всасывания.
Рис. 9.7. Рабочие диаграммы компрессора:
А) в pv координатах; б) в TS координатах
Значение работы, затрачиваемой на сжатие, всегда отрицательно (v1 > v2, dv Срочно?
Закажи у профессионала, через форму заявки
8 (800) 100-77-13 с 7.00 до 22.00
Читайте также: Как из компрессора сделать фонтан
Одноступенчатое сжатие
ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПОРШНЕВЫХ КОМПРЕССОРОВ
В машинах, предназначенных для сжатия газа. увеличение давления происходит или за счет уменьшения объема просторную, в котором находится газ (объемные компрессоры, к числу которых относятся поршневые и винтовые), или за счет сообщения потока газа энергии от динамического влияния на него лопат рабочих колес (центробежные компрессоры).
На рис. 87 показанные схемы поршневых компрессоров одностороннего и двустороннего действия. В современных компрессорах вместо кривошипного вала применяется коленчатый. В компрессоре одностороннего действия, где цилиндр не имеет задней крышки, механизм движения более простой, в нем отсутствуют крейцкопф и шток.
В компрессоре одностороннего действия (рис. 87, а) всасывание воздуха из атмосферы в цилиндр происходит через всасывающий клапан при походке поршня по левую сторону по правую сторону. При походке поршня по правую сторону по левую сторону этот клапан закрывается. воздух сжимается и выталкивается через нагнетательный клапан в воздухопроводную сеть. В компрессоре двустороннего действия эти процессы протекают с обеих сторон поршня (рис. 87, б).
Описанные компрессоры называются одноступенчатыми, сжатие воздуха в них от начального к конечному давлению вырабатывается сразу за один ход поршня. В многоступенчатых компрессорах сжатие воздуха от начального до некоторого промежуточного давления вырабатывается в первой ступени, а потом в следующих ступенях он сжимается к необходимому конечному давлению.
 |
Рис. 87. Схемы поршневых компрессоров:
а —одностороннего действия; б-двустороннего действия; 1- цилиндр; 2 — поршень; 3,4— всасывающий и нагнетательный клапаны; 5 — вал; 6- кривошип; 7 – шатун; 8 — крейцкопф; 9 – шток.
Процессы, которые протекают в компрессорах, как известно из термодинамики, могут быть изображены в координатных осях давления р и объема В, а также в осях абсолютной температуры Т и энтропии 5. При изображении в осях р-V может быть определенная затрачиваемая в компрессоре робота как площадь, ограниченная линией кругового процесса, при изображении в осях Т—5 — теплота.
 |
| Рис. 88. Диаграмма теоретического процесса в одноступенчатом поршневом компрессоре одностороннего действия |
Низшее относительно поршневых компрессоров используются координаты р-V, а к центробежных — как координаты р-V, так и Т — 8.Теоретический процесс поршневого компрессора можно было бы осуществить при следующих условиях: 1) после выталкивания в цилиндре компрессора не останется сжатый воздух; 2) давление и температура воздуха при всасывании не изменяются и остаются такими же, как в окружающей компрессор атмосфере; 3) давление и температура сжатого воздуха при его выталкивании не изменяются и одинаковые с давлением и температурой воздуха в напорном трубопроводе.
По диаграмме теоретического процесса в одноступенчатом компрессоре одностороннего действия в координатных осях давления р (здесь и дальше принятые обозначения: р — абсолютное давление, ри — избыточное давление) и объема V (рис. 88) процесс всасывания в компрессор воздуха объемом V1 при давлении р1 изобразится линией 1-2,
процесс сжатия его — кривой 2-3, процесс выталкивания сжатого воздуха объемом V2 при давлении р2 в напорный трубопровод — линией 3-4, процесс выравнивания давления в цилиндре от р2 к р1— линией 4-1. Процессы в компрессоре двустороннего действия изобразятся двумя такими диаграммами, повернутыми друг относительно вторая на угол 180°.
Полная работа Lk, израсходованная в компрессоре, представляет собой площадь кругового процесса 1-2-3—4-1 и равняется сумме работ процессов всасывания Lвс = р1 V1, сжатия и выталкивание Lвыт = p2V2, то есть (106)
Читайте также: Срывные пластины муфты компрессора кондиционера
Масштаб работы определяется на основании принятых масштабов давления и объема. Допустим, что 1 МПа (1 000 000 Н/м 2 ) отвечает 2см, а 1 м² — 5см, тогда 1 000 000 Н·м (Дж) отвечает 10 см’ 2 .
Диаграмма теоретического процесса в одноступенчатом поршневом компрессоре одностороннего действия показанная на рис. 88. Процесс сжатия может быть изотермической (2-3), адиабатным (2-3′) и политропным (2-3«).
При изотермическом сжатии температура постоянная и от воздуха отводится вся теплота, которая выделяется в процессе сжатия.
Lк.с = Lсж, то есть работа, затрачиваемая в компрессоре,
Если объемы выражены в м 3 , то для получения работы в Дж (Н·г) в формуле (108) и в следующих формулах работы давление должный быть выражен в Па (Н/м 2 ).
При изотермическом процессе от воздуха при сжатии отводится теплота (Дж)
При адиабатном сжатии к воздуху не привстает и от него не отводится теплота. Линия адиабатного процесса сжатия в координатах р-V круче линии изотермического процесса.
При адиабатном процессе справедливые следующие зависимости между давлениями р и абсолютными температурами Т, с одной стороны, и объемами V — с другого, а также между температурами и давлениями:
где k==1,4 — показатель адиабаты (отношение теплоемкост воздух при постоянном давлении порівн к теплоемкости его при постоянном объеме Сv);
При цикле с адиабатным сжатием
На основании выражений (110) и (113)
Политропное сжатие воздуха в компрессоре применяется с отводом теплоты, то есть с охлаждением (п
Так как изотермическое сжатие в компрессоре через условия охлаждения практически осуществить невозможно, то сжатие вырабатывается по политропному процессу (линия 2-С») при п = = 1, 3, . 1,35 с частичным отводом тепла от воздуха, что выгоднее адиабатного.
Соответствующей действительности процесс поршневого компрессора отличается от теоретического следующим:
1) при выталкивании сжатого воздуха его часть остается в просторному между поршнем, который находится в крайнем положении, и крышкой цилиндра, а также в каналах, которые соединяет клапаны с цилиндром; это пространство называется вредной;
2) имеют место сопротивления при всасывании атмосферного воздуха в фильтре и в всасывательных клапанах, а при выталкивании сжатого воздуха — в нагнетательных клапанах;
3) имеются неплотности между поршнем и стенками цилиндра, в клапанах и сальниках;
4) в конце всасывание температура воздуха в цилиндре повышается;
5) сжимаемый воздух содержит частицы водного пара. При походке всасывания сжатый воздух, который остался в вредном пространстве, расширяется (рис. 89, а, кривая 4-1> и давление его падает от р2 к р1. Очевидно, что всасывание начинается не
 |
Рис. 89. Диаграмма процесса в одноступенчатом компрессоре с учетом влияния:
а — вредного пространства; бы — вредного пространства и клапанов
в начале хода поршня; а только тогда, если давление в цилиндре станет ниже давления атмосферного воздуха, то есть будет всасываться меньший объем воздуха, чем при теоретическом процессе.
Отношение α0 объема V0 вредного просторную к объему Vп, описываемому поршнем за один ход, называется коэффициентом вредного пространства. Обычно αв = 0,03. 0,06.
Отношение α0 объемаVв всасываемого в компрессор воздуха с учетом влияния вредного пространства к объему Vпназывается объемным коэффициентом компрессора.
Для общего случая расширения воздух, который остался в вредному просторные, по политропе
Читайте также: Замена подшипника компрессора кондиционера mazda
На основании этого выражения и понятия про “в и “про имеем
то есть объемный коэффициент тем более, чем меньше коэффициент вредного пространства αВ и степень повышения давления ε и чем больше показатель политропы п расширение воздух, который остался в вредном пространстве.
Вредное пространство почти не влияет на работу, затрачиваемую в компрессоре, но снижает производительность компрессора.
Давление р1 воздух в цилиндре при всасывании будет меньше давления ра атмосферного воздуха в связи с сопротивлением:
1) при проходе воздуха через фильтр, который всасывает трубу и под пластинками клапана;
2) обусловленным инерцией клапанных пластинок и пружины при открытии клапана;
3) от инерции воздуха, вследствие чего линия всасывания снижается в первой половине и немного повышается в второй половине хода поршня.
При этом объем VВ всасываемого в компрессор воздуха, приведенный к атмосферному давлению, будет еще меньшее, а затрачиваемая работа возрастает на величину, изображаемую заштрихованной площадью, которая розташованаі ниже линии атмосферного давления (рис. 89, б).
Давление р2 сжатые воздух в компрессоре будет больше давления ррез сжатого воздуха в воздухосборнике и воздухопроводной сети в связи с сопротивлением: 1) при проходе воздуха под пластинками нагнетательного клапана; 2) обусловленным инерцией клапанных пластинок и пружины, которая проявляет в момент открытия клапана; 3) при проходе воздуха от клапана к нагнетательному патрубку компрессора. При этом затрачиваемая работа возрастает на величину, пропорциональную заштрихованной площади, которая розмещена выше линии давления сжатого воздуха в резервуаре.
Выступ в начале линии всасывание и выталкивание на диаграмме объясняется инерцией подвижных элементов клапанов.. Неплотности в компрессоре имеют место: в всасывательных клапанах (из-за чего при сжатии и выталкивании часть воздуха просачивается назад в всасывающий трубопровод); в нагнетательных клапанах (в связи с чем во время всасывания частично поступает воздух из напорного трубопровода); между поршнем и стенками цилиндра и в сальниках (вследствие чего воздух при сжатии и выталкивании может перетекать с одной пустоты цилиндра в другую и просачиваться из него). В результате соответствующей действительности производительность компрессора уменьшается, причем работа на сжатие воздуха, который вытекает через неплотности, затрачивается напрасно.
В момент всасывания снова поступает воздух смешивается с оставшимся в цилиндре и непрерывно подогревается от стенок цилиндра. При этом уменьшаются плотность воздуха и, итак, массовая производительность компрессора, хотя его объемная производительность остается бывшей. Затрачиваемая работа остается такой же, но относится уже к меньшей массовой производительности компрессора.
В воздухе помещается водный пар, который, конденсируя после выхода из цилиндра, также уменьшает массовую производительность компрессора.
Таким образом, соответствующей действительности производительность компрессора меньше теоретической. Все потери производительности в компрессоре учитываются коэффициентом подачи.
Отношение соответствующей действительности подаваемого за один ход объема Vд воздух, перечисленного на давление и температуру всасывания, к объему, описываемому поршнем компрессора за один ход, называется коэффициентом подачи компрессора αг, что обычно равняется 0,75. 0,9.
Повысить коэффициент подачи и, итак, соответствующей действительности производительность компрессора можно:
1) правильным выбором объема вредного пространства;
2) уменьшением сопротивления при всасывании;
3) красивым уплотнением в компрессоре;
4) чистотой цилиндра и других частей машины;
5) обеспечением по возможности более низкой температуры всасываемого воздуха.
Соответствующей действительности, индикаторную ли диаграмму компрессора можно снять с помощью индикатора .
